Cytogenomic analyses in almond after treatment with biostimulants

Master dissertation in Agronomic Engineering

A amendoeira, Prunus dulcis, tem elevada importância económica e nutritiva a nível mundial. Em Portugal, no Nordeste Transmontano, a cultura de amendoeira tem vindo a aumentar. Porém, esta região apresenta climas extremos que prejudicam a produtividade e a qualidade da amêndoa que podem ser melhoradas pela aplicação de bioestimulantes e/ou fertilizantes. Apesar de estes tratamentos induzirem benefícios, também pode ocorrer alguma toxicidade. Como os processos biológicos da planta dependem da estabilidade celular e genómica, a análise citogenómica dos efeitos de bioestimulantes e fertilizantes permitirá selecionar o tratamento mais eficaz. Neste trabalho efetuou-se a aplicação de bioestimulantes, baseados em algas (AN) e aminoácidos (AA), e fertilizantes contendo boro em solução (BE) e sólido (BS), em amendoeiras da cultivar ‘Vairo’ instaladas num pomar em Mogadouro para selecionar o tratamento que conferiu maior estabilidade citogenómica, por comparação com árvores nãotratadas (controlo). A aplicação de BS no solo realizou-se em março de 2019 e as aplicações foliares (AN, BE e AA) iniciaram-se em maio de 2019 com repetições mensais até agosto. Folhas jovens foram colhidas em junho, julho e agosto para análise citogenética e molecular. O ciclo mitótico foi analisado em células do mesófilo, e a estabilidade genómica (GTS) foi inferida pela análise dos padrões moleculares obtidos com cinco sistemas marcadores nas plantas tratadas relativamente ao controlo. O índice mitótico (MI) aumentou significativamente (p˂0,05) em todos os tratamentos relativamente ao controlo, particularmente nos tratamentos AA e BS, e também de junho até agosto. Este resultado foi corroborado pela diminuição significativa (p˂0,05) do número médio de interfases. O controlo apresentou a menor percentagem de células em divisão com anomalias (%DCA). Embora a maior %DCA (68,74%) tenha sido registada no tratamento AA em julho, diminuiu significativamente (p˂0,05) em agosto (30,58%). Diferentes anomalias foram encontradas em células interfásicas e mitóticas. A maioria das células mitóticas encontrava-se em profase, com o maior número médio (129,67) na interação controlo × julho. Este resultado poderá explicar-se pelo stress abiótico causado pelo clima extremo da região, bloqueando o ciclo mitótico. Os maiores números médios de telofases registaram-se no BE e BS, sugerindo progressão da mitose. O aparecimento de novas bandas e/ou desaparecimento de bandas (polimorfismos) relativamente às amplificadas no controlo sugeriram instabilidade genómica. Os tratamentos com maior número de bandas polimórficas foram: AN e BS em junho; AA e BS em julho; e AN e BE em agosto. Os valores de GTS mais elevados detetaram-se no BE e AA. As amostras de agosto apresentaram padrões distintos, justificando o seu agrupamento distanciado das restantes. Três dos cinco sistemas marcadores utilizados indicaram uma GTS mais elevada em agosto, provavelmente devido ao número superior de aplicações de cada tratamento, exceto para BS. Em conclusão, a integração dos dados citogenéticos e moleculares revelou que os tratamentos BE e AA parecem ter conferido uma mitose mais regular e uma GTS mais elevada às amendoeiras da cultivar ‘Vairo’ nas condições ambientais em que foi estudada.

The almond, Prunus dulcis, has high economic and nutritional importance worldwide. In Portugal, at the Northeast region, the almond crop has been increasing. Although this region presents an extreme climate that hampers almond productivity and quality, it can be improved by biostimulants and/or fertilisers application. Despite these treatments induce benefits some some toxicity can also occur. Since the plant biological processes depend on the cellular and genomic stability, the cytogenomic analysis of the biostimulant and fertiliser effects will allow the selection of the most effective treatment. In this work, biostimulants based on seaweed (AN) and amino acids (AA), and fertilisers containing boron in solution (BE) and solid (BS), were applied to almond trees of cultivar ‘Vairo’ installed in an orchard at ‘Mogadouro’, to select the treatment that conferred higher cytogenomic stability, in comparison with untreated (control) trees. The BS application on the soil was made in March of 2019, and the canopy treatments (AN, BE e AA) began in May of 2019 being monthly repeated till August. Young leaves were sampled in June, July and August for cytogenetic and molecular analysis. The mitotic cycle was analysed in mesophyll cells, and the genomic template stability (GTS) was inferred through the analysis of molecular patterns achieved with five marker systems in the treated plants relative to the control. The mitotic index (MI) increased significantly (p˂0.05) in all treatments relative to the control, particularly in treatments AA and BS, and also from June to August. This result was corroborated by the significant decrease (p˂0.05) of the mean number of interphases. The control presented the lowest percentage of dividing cells with anomalies (%DCA). Although the highest %DCA (68.74%) was registered in the treatment AA and July, it decreased significantly (p˂0.05) in August (30.58%). Different anomalies in interphase and mitotic cells were found. Most of the mitotic cells were in prophase, and its highest mean number (129.67) was detected in control × July interaction. This result can be explained by the abiotic stress caused by the extreme climate of the region, arresting the mitotic cycle. The highest mean numbers of telophases were registered in BE and BS, suggesting mitosis progression. The appearance of new bands and/or disappearance of bands (polymorphisms) relative to the ones amplified in control suggested genomic instability. The treatments with the highest number of polymorphic bands were: AN and BS in June; AA and BS in July; and AN and BE in August. The highest GTS values were detected in BE and AA. The samples of August presented distinct patterns, justifying their distant clustering relative to the others. Three out of the five marker systems used, indicated a higher GTS in August, probably due to the higher number of applications of each treatment, except for BS. In conclusion, the integration of the cytogenetic and molecular data revealed that the BE and AA treatments seem to confer a more regular mitosis and a higher GTS, to the almond trees of cultivar ‘Vairo’ in the environmental conditions in which it was studied.